中國日光溫室結構的改良與創(chuàng)新（1） 基于被動儲放熱理論的墻體改良與創(chuàng)新.pdf

<p>日光溫室墻體被動式儲放熱理論是在中國日光溫室發(fā)展早期的主要理論基礎。在這種理論的指導下，日光溫室后墻多選擇使用熱惰性大、自承重的建筑材料。本文回顧和總結了我國日光溫室研究和建設中的不同階段在墻體被動儲放熱理論體系指導下墻體的材料（包括磚、石和土）、建筑構造（單質墻體、三層復合墻體和雙層復合墻體）、建造方法和性能的變遷與改進和創(chuàng)新。中國日光溫室結構的改良與創(chuàng)新（一）基于被動儲放熱理論的墻體改良與創(chuàng)新周長吉（農業(yè)部規(guī)劃設計研究院，農業(yè)部農業(yè)設施結構工程重點實驗室，北京100125）周長吉，男，研究員，專業(yè)方向：溫室工程，E-mail：zhoucjfacaae.com收稿日期：2018-01-08；接受日期：2018-01-11我國日光溫室從 20 世紀 80 年代開始起步，至今已經發(fā)展了30多年。日光溫室的發(fā)展，首先解決了長期困擾我國北方地區(qū)冬季鮮菜生產和供應的問題，極大地豐富了城鄉(xiāng)居民的“菜籃子”；其次，解決了北方地區(qū)冬季農業(yè)生產和農民就業(yè)的問題，使傳統(tǒng)的農業(yè)生產由“冬閑”變成了“冬忙”，不僅提高了農民收入，也穩(wěn)定了社會治安；第三，有效開發(fā)了北方地區(qū)冬季“沉睡”的土地資源，提高了土地的復種指數，促進了土地資源的高效開發(fā)利用；第四，大量節(jié)約了溫室生產能耗，不僅減輕了我國能源供應的壓力，而且對減少“溫室氣體”排放、保護生態(tài)環(huán)境做出了杰出的貢獻。30 多年來，中國日光溫室從實踐到理論、從試驗研究到大面積推廣應用走出了一條具有中國特色的創(chuàng)新發(fā)展之路，其中民間的創(chuàng)新更是這條創(chuàng)新之路上不可或缺的骨干力量?？茖W界的貢獻主要表現在方法創(chuàng)新和理論提升上，其中墻體的被動儲放熱和主動儲放熱理論是日光溫室結構創(chuàng)新過程中兩項重要的基礎理論，在不同理論的指導下建設的溫室從結構、建材以及建造方法和造價上都有顯著差別，當然溫室的性能也有差異。本文回顧和總結了 30 多年來日光溫室墻體結構在被動儲放熱理論指導下的創(chuàng)新和發(fā)展之路，以期對未來的創(chuàng)新發(fā)展有所借鑒。中國最早的日光溫室可追溯到 20 世紀 30 年代的鞍山型溫室（亢樹華，1990；張福墁，2001），但真正對中國日光溫室發(fā)展起到帶動和示范作用的是遼寧省大連市瓦房店的“琴弦式”日光溫室和“感王式”日光溫室（圖1）。其共同特點是：用土墻做圍護墻體，低矮的空間采用嚴密的保溫來實現喜溫果菜類蔬菜的越冬生產。這種溫室之所以能夠在遼南地區(qū)冬季 -20 以下的嚴寒氣候條件下越冬生產喜溫果菜類蔬菜，一方面是靠嚴密的保溫（包括一層紙被和雙層草苫），另一方面則主要靠后墻白天的儲熱和夜間的放熱。這種利用墻體白天吸熱儲存熱量、夜間放熱補充溫室熱損失的日光溫室墻體熱物理過程稱為墻體的被動式儲放熱。之所以稱之為“被動式儲放熱”，是因為不論白天墻體吸收和儲存多少熱量，還是夜間釋放多少熱量均是一種無法人為控制的熱物理過程。在這種理論指導下建設的日光溫室要求墻體材料熱惰性大，白天能吸收和儲存更多的熱量，同時夜間也就能釋放出更多的熱量。熱惰性大、價格低廉且能承重的適合作為日光溫室墻體的材料主要包括土壤、石塊和實心磚。1新優(yōu)品種栽培管理本期視點產業(yè)市場病蟲防控 產業(yè)廣角中 國 蔬 菜 &nbsp; &nbsp; CHINA VEGETABLES中國日光溫室結構的改良與創(chuàng)新（一）基于被動儲放熱理論的墻體改良與創(chuàng)新 周長吉 （1）2018（2）：1-51 土/石單質材料墻體日光溫室建造方法的改良與創(chuàng)新土/石是一種熱惰性大、可就地取材的廉價材料，因此在日光溫室研究和推廣中一直備受重視，包括對土/石墻建造方法的研究和土/石墻厚度在不同室外環(huán)境條件下對室內溫度影響的研究（馬承偉 等，2010；魏曉明 等，2012；李明 等，2014，2015，2016；何芬和周長吉，2015）。1.1 干打壘墻體土墻最早的建造方法在西北地區(qū)多采用干打壘的方法（圖2）。干打壘墻體強度高、耐久性好，而且墻體厚度?。ǘ嗫刂圃?50100 cm）、占地面積小，建造墻體用土量少，對土壤的破壞影響小，尤其適合黏度適中的黃土和輕質黏土。但干打壘墻體建造時間長、勞動強度大，不論是人力夯杵打墻，圖 1 中國早期的日光溫室“琴弦式”日光溫室 “感王式”日光溫室外景 “感王式”日光溫室內景外景內景圖 2 干打壘土墻結構日光溫室 圖 3 機打土墻結構日光溫室外景內景還是用蛙夯機筑墻，其建設速度都遠跟不上日光溫室發(fā)展的要求。1.2 機打土墻為了進一步提高溫室墻體的建設速度，也為了使更多類型的土質能夠用于日光溫室墻體的建設，山東壽光的農民發(fā)明了機打土墻日光溫室（丁小明 等，2011；周長吉，2013），即用挖掘機攫取地面土壤到墻體，用鏈輪拖拉機或壓路機進行壓實，之后再用挖掘機修理溫室內墻面，可快速建造日光溫室墻體，且建造成本低，徹底擺脫了干打壘墻體用人力夯實墻體的局面，提高了墻體建造的機械化水平。由于墻體厚（300700 cm），溫室的保溫性能好，墻體儲放熱能力強，很快在我國北方地區(qū)得到了大面積推廣應用，成為當前我國日光溫室墻體的主要形式（圖3）。但這種墻體建造用土量大、墻體占地面積大、土地利用率低、對土壤破壞嚴2新優(yōu)品種栽培管理本期視點產業(yè)市場病蟲防控 產業(yè)廣角中 國 蔬 菜 &nbsp; &nbsp; CHINA VEGETABLES重，而且由于鏈輪拖拉機的自身重量所限，壓制墻體的密實度不夠，墻體使用壽命短。雖然這種結構的溫室因其造價低廉、保溫性能好而在生產中得到大量推廣應用，但由于其對土壤破壞嚴重，在學術界一直存在很大爭議。隨著近年來新技術的不斷發(fā)展，要求改造和停止這種類型溫室建設的呼聲越來 越高。1.3 機壓大體積土坯墻為了減少土墻建設的用土量，同時增強土墻結構強度，近年來推出了一種機壓大體積土坯的土墻日光溫室結構（圖 4）（鄒志榮 等，2017）。這種墻體采用壓鑄的方法將松散的土體擠壓成體積為 1.2 m×1.2 m×1.2 m的立方體土坯，砌筑時不需要任何膠黏劑，通過錯縫壘筑即成為承重和保溫墻體，而且由于是壓制成型，所以在土坯內部可以壓鑄出契口和通風通道，便于緊密砌筑和墻體內部儲熱。由于自身強度高，墻體不僅可以自承重，而且如同干打壘墻體或磚石墻體一樣具有承載溫室骨架荷載的能力，同時溫室的使用壽命也大大延長。此外，由于墻體厚度只有機打土墻的 1/51/3，與干打壘墻體厚度接近，所以大大減少了墻體的占地面積，用土量也相應減少，對土壤的破壞影響亦減少。相比干打壘土墻，其建造的機械化水平更高，土坯自身的強度也更強，且可以人為控制土坯的體積大小和土坯的密實度，還可以在土體中添加草秸等骨料和膠黏劑，進一步提高土坯的強度。不論是干打壘墻體、機打土墻結構墻體，還是機壓大體積土坯墻體，其共性優(yōu)點都是采用土作為建筑材料，材料來源豐富、可就地取材、建造成本低、儲放熱能力強；但其共性缺點是用土壤作為建筑材料，對耕地土層破壞嚴重，給未來土壤恢復帶來很大困難，就地取土還造成建設場地整體低洼，給場區(qū)排水造成困難，經常發(fā)生雨季場區(qū)積水、泡塌溫室墻體的事件。隨著國家對耕地質量保護要求的不斷加強和人們對生態(tài)保護意識的不斷加強，以及我國社會經濟水平的不斷提高，土墻結構日光溫室遲早會退出歷史舞臺。1.4 石墻石墻是一種比土墻熱惰性更大的溫室墻體，最早采用的是砌筑的方法（圖5-a）。由于砌筑石墻的厚度不能太薄，最小厚度不小于500 mm，所以砌筑石墻的厚度大多在1 000mm左右。用石塊砌筑的溫室墻體承載能力強、儲放熱性能好、墻體使用壽命長，但這種方法要求石塊體積大，而且砌筑時間長、勞動強度大。為了解決這一問題，張勇和鄒志榮（2015）采用了鋼筋籠裝石料筑墻的方法，包括先整體搭建墻體鋼筋籠后填裝石料一次成型筑墻法和先用小鋼筋籠裝石料后碼垛砌筑墻體兩種方法（圖 5-b、c）；不僅提高了建設速度，而且對石塊大小沒有嚴格要求，極大地豐富了建材原料的來源，還省去了水泥、砂漿等膠粘劑。此外，由于石塊之間的縫隙還可以將熱量傳遞到墻體的更深位置，更有利于提高墻體儲放熱量的性能。但由于建造日光溫室需要消耗大量的石料，而石料來源不像土壤那樣來源豐富、造價低廉，因此在一定程度上限制了這種形式日光溫室的發(fā)展。2 復合墻體溫室的改良與創(chuàng)新為了解決土/石墻結構日光溫室墻體占地面積大、對土壤破壞嚴重的問題，在被動式墻體儲放熱理論指導下，日光溫室研究和建設早期對墻體結構的改造基本都是采用異質復合墻體，包括三層結構復合墻體和雙層結構復合墻體，其中三層結構復合墻體在日光溫室發(fā)展的早期應用最為廣泛，后來隨圖 4 機壓大體積土坯墻日光溫室大體積土坯制作設備溫室實景3新優(yōu)品種栽培管理本期視點產業(yè)市場病蟲防控 產業(yè)廣角中 國 蔬 菜 &nbsp; &nbsp; CHINA VEGETABLES著對墻體傳熱理論的不斷深入研究，近年來更傾向于采用雙層結構復合墻體。2.1 三層結構復合墻體由于材質不同，三層結構復合墻體的做法也各異，大體可分為 3 類：磚墻 + 空心 + 磚墻、磚墻 +松散保溫材料+磚墻、磚墻+保溫板+磚墻 （圖6）。其中，磚墻既是溫室的承重結構，又是中間保溫層的圍護結構，內墻是溫室被動儲放熱的墻體，外墻是溫室隔熱和圍護的墻體，不論是內墻還是外墻，其厚度要求遵從磚墻的建筑模數，多為 240 mm 或360mm，高寒地區(qū)的外墻厚度有的為 500mm。2.1.1 空心復合墻體 &nbsp;空心復合墻體是利用干燥、靜止空氣的絕熱性能來隔斷室內熱量向室外傳遞，從而起到保溫隔熱的效果。其中空心的厚度基本控制在 300 mm 以內，多為 240 mm（與磚墻的建筑模數相一致）。這種結構用材省、建造速度快；但在實際生產中發(fā)現，由于溫室磚墻建造的密封性差（有的是由于砂漿強度不夠風化后造成，有的則是砌筑時砂漿不飽滿造成，很多溫室甚至不做勾縫處理），室外冷風可直接滲透到溫室中。此外，由于空氣間層的空間較大，事實上在兩層磚墻之間根本不可能形成靜止空氣層，磚墻內部的空氣對流也大大削弱了墻體的保溫性能。因此，這種墻體結構的日光溫室在實際應用中保溫性能并不理想，在近 10 年來的應用越來越少。2.1.2 保溫材料填充墻 用松散材料填充兩層磚墻的夾層，墻體厚度因材料的保溫性能不同而有差異。常用的松散保溫材料有陶粒、珍珠巖、蛭石、土等無機建筑材料，也有用稻殼、秸稈等有機材料的。松散材料的導熱系數越小，墻體厚度也越薄，除了填充土層的厚度為 5001 000mm 外，其他松散保溫材料的厚度多為 200300 mm。用松散保溫材料填充兩層墻體之間的夾層，解決了墻體夾層內的空氣對流；而且由于保溫層的熱阻較大，溫室墻體的保溫性能得到大大提升。但由于松散保溫材料容易吸潮，吸潮后保溫性能顯著下降，而且隨著溫室使用年限的增加，松散材料在墻體內不斷下沉，使墻體內下部松散材料密度增大，上部出現空氣間層，總體上溫室墻體的保溫性能在不斷降低。為此，改進的復合墻體用保溫板（主要是聚苯板）代替了松散材料，一方面可以解決松散材料吸潮或下沉造成保溫性能下降的問題；另一方面還可以進一步減薄墻體的厚度（因為聚苯板的導熱系數更小，保溫板厚度多在 100 mm 左右），節(jié)約土地面積。但由于在施工中往往是先施工兩側墻體，之后再將保溫板塞進夾層中，難以將聚苯板與兩側墻體緊密貼合，而且保溫板相互之間的對接和密封也不嚴密，實際運行中溫室墻體的保溫性能并沒有達到理想的圖 6 三層結構復合墻體日光溫室內層夾土的復合墻體內層加聚苯板的復合墻體圖 5 石墻結構日光溫室a 砌筑石墻 b 整體鋼筋籠內填石料墻體 c 小鋼筋籠石料碼垛墻體4新優(yōu)品種栽培管理本期視點產業(yè)市場病蟲防控 產業(yè)廣角中 國 蔬 菜 &nbsp; &nbsp; CHINA VEGETABLES狀態(tài)。2.2 雙層結構復合墻體從理論上分析，三層結構復合墻體的內層磚墻是被動式儲放熱層，中間空心層或保溫層是隔熱層，而外層磚墻實際上就是中間保溫層的保護層，自身的保溫性能在整個溫室墻體中的貢獻很小。為此，近年來新的復合墻體改進方法是將三層復合結構改變?yōu)殡p層結構，即取消外層磚墻，將中間保溫板直接外貼在內墻上。這種做法不僅墻體各層功能明確，而且減少了墻體占地面積、降低了溫室造價、提高了溫室建設速度，成為目前復合墻體結構的主流模式。其中，內層磚墻承擔儲放熱和結構承重的功能，厚度多為 240 mm 或 360 mm；外層保溫層承載隔熱功能，厚度多為 100150 mm，可以用聚苯板外掛水泥砂漿，也可以直接用彩鋼板（圖7），將隔熱、防水和外觀集于一體。溫室墻體總厚度基本控制在 500 mm 以內，大大節(jié)約了墻體占地 面積。合材料通過配比來實現這一目標。由于相變材料每天從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，又從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，這種頻繁的固、液態(tài)變化要求材料不能從墻體中滲漏，也不能對墻體的強度造成影響，所以盛裝和密封相變材料成了工程中的一大難題。此外，在對相變材料的配方研究中一直也沒有找到一種既能滿足溫室對相變溫度要求，又價廉物美的材料，所以相變材料墻體一直還在試驗研究階段，大面積的推廣應用尚待 時日。參考文獻丁小明，周長吉，魏曉明2011下沉式機打土墻結構日光溫室的性能與適應性分析/楊其長，古在豐樹，Bot GPA設施園藝創(chuàng)新與進展北京：中國農業(yè)科技出版社：100- 107管勇，陳超，李琢，韓云全，凌浩恕2012相變蓄熱墻體對日光溫室熱環(huán)境的改善農業(yè)工程學報，28（10）：194-201管勇，陳超，凌浩恕，韓云全，閆全英2013日光溫室三重結構相變蓄熱墻體傳熱特性分析農業(yè)工程學報，29（21）： 66-173何芬，周長吉2015日光溫室土質墻體溫度與吸放熱量測試分 析北方園藝，（10）：58-61亢樹華1990鞍山日光溫室的沿革與改進農業(yè)工程學報，6 （2）：101-102李明，魏曉明，齊飛，周長吉2014日光溫室墻體研究進展新疆農業(yè)科學，51（6）：1162-1170，1176李明，周長吉，魏曉明2015日光溫室墻體蓄熱層厚度確定方 法農業(yè)工程學報，31（2）：177-183李明，周長吉，周濤，尹義蕾，富建魯，王志強，齊長紅2016日光溫室土墻傳熱特性及輕簡化路徑的理論分析農業(yè)工程學報，32（3）：175-181馬承偉，陸海，李睿，曲梅2010日光溫室墻體傳熱的一維差分模型與數值模擬農業(yè)工程學報，26（6）：231-237王宏麗，鄒志榮，陳紅武，張勇2008溫室中應用相變儲熱技術研究進展農業(yè)工程學報，24（6）：304-307王宏麗，李曉野，鄒志榮2011相變蓄熱砌塊墻體在日光溫室中的應用效果農業(yè)工程學報，27（5）：253-257魏曉明，周長吉，曹楠，盛寶永，陳松云，魯少尉2012中國日光溫室結構及性能的演變江蘇農業(yè)科學，28（4）：855-860張福墁2001設施園藝學北京：中國農業(yè)大學出版社：30張勇，鄒志榮2015非耕地自主蓄熱卵石后墻日光溫室創(chuàng)新結 構農業(yè)工程技術：溫室園藝，35（19）：28-30周長吉2013不斷創(chuàng)新的山東壽光日光溫室追析壽光“五代”日光溫室農業(yè)工程技術：溫室園藝，33（12）：16-22鄒志榮，鮑恩財，申婷婷2017模塊化組裝式日光溫室結構設計與實踐農業(yè)工程技術：溫室園藝，37（31）：55-60圖 7 雙層結構復合墻體日光溫室外貼聚苯板結構 外掛彩鋼板結構2.3 相變材料墻體相變材料是日光溫室復合墻體的研究熱點（王宏麗 等，2008，2011；管勇 等，2012，2013）。無論是三層結構復合墻體還是雙層結構復合墻體，將相變材料置于溫室內墻，利用材料相變儲放熱的功能可以大幅度提高溫室內墻儲放熱量的性能。針對日光溫室內種植作物的要求和墻體的儲放熱特點，對墻體相變材料要求：白天室內溫度超過 25 后開始吸收溫室內熱量，材料從固態(tài)相變?yōu)橐簯B(tài)儲存熱量；而當溫室內溫度下降到1618 時，材料開始從液態(tài)相變?yōu)楣虘B(tài)向溫室內釋放熱量。由于日光溫室對相變材料的這種特殊要求，單一材質的相變材料難以滿足要求，所以在科研中大都采用復5新優(yōu)品種栽培管理本期視點產業(yè)市場病蟲防控 產業(yè)廣角中 國 蔬 菜 &nbsp; &nbsp; CHINA VEGETABLES</p>